专利名称：一种具有高擦除速度的锥形能带氮化硅层sonos结构器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体器件，尤其涉及一种具有高擦除速度的锥形能带氮化硅层 SONOS结构器件。
背景技术：
Kuo-Hong Wu 在 SONOS device with tapered bandgap nitride layer, IEEE transaction on electron devices, Vol. 52,No. 5, May 2005. Kuo-Hong Wu, et.al 中， 提出一种具有锥形能带氮化硅层的SONOS结构，即通过控制反应气体的流速比来控制生成的氮化硅层Si/N含量，使得靠近底部氧化层(隧穿氧化层)部分的氮化硅含有较多的Si元素，而靠近阻挡氧化层的氮化硅含有较多的N元素，Si/N比是逐渐变化的，其结构如附图I 所示。从图2所显示的具有渐变氮化硅层SONOS结构的能带图上来看，可以发现氮化硅层的能带由于富硅和富氮氮化硅层的能隙不同，氮化硅层具有锥形的能带结构。在最佳P/E 操作电压下，对标准氮化硅层、富硅氮化硅层和Si/N渐变氮化硅层进行P/E速度，电荷保持能力，器件耐久能力和抗读取扰动的测试发现具有锥形能带结构的Si/N渐变氮化硅层器件有较大的阈值电压偏移和更大的存储窗口。通过对新器件的耐久能力进行测试，发现具有锥形能带结构的Si/N渐变氮化硅层在P/E循环IO6次后，仍未观察到耐久能力的退化。 室温下器件的电荷保持能力没有得到改善，但由于有较大的阈值电压偏移，运用外推法推测，经过10年后依然还有I. 3V的存储窗口，而且具有锥形能带结构的Si/N渐变氮化硅层的器件具有良好的抗读取操作扰动的能力。但是这个具有锥形能带结构的Si/N渐变氮化硅层结构器件的擦除速度较慢。Hang-Ting Lue, Szu-Yu Wang, Erh-Kun Lai 等人在 “BE_S0N0S:A Bandgap Engineered SONOS with Excellent Performance and Reliability，， and “A BE-S0N0S (Bandgap Engineered S0N0S) NAND for Post-Floating Gate Era Flash Memory”中提出了对于S0N0S结构擦除速度的改进方法。提出一种通过对传统底部氧化层进行能带工程， 使其擦除速度增加的方法。他们构建了用两层薄的氧化层夹一层薄的氮化硅的底部层取代传统的底部氧化层的S0N0S结构。薄的01/N1/02作为一个几乎没有电荷陷阱的隧穿介质层，这是因为捕获电荷的平均自由程要大于这个0N0层的厚度，电子还没来得及被捕获，就已经穿过这个层。N2是具有高陷阱的电荷存储层，这个层可以捕获电子，是存储电荷的层。 03是阻挡氧化层，它可以防止门极电荷的注入。薄的“01/N1/02”提供了一个“受调制的隧穿势垒”，这个势垒在低场下会抑制电荷的隧穿，在高场下由于能带偏移会有高效的空穴隧穿到存储电荷的氮化硅层，使擦除的速度增加。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的问题，本发明通过用01/N1/02的0N0结构取代具有锥形能带存储电荷氮化娃层S0N0S结构中底部氧化层(隧穿氧化层)来改善锥形能带结构S0N0S的擦除速度。这个薄的0N0层在低场下由于有势垒层可以较好的保持存储的电荷，在高场下由于薄氮化硅层NI和第二层氧化层02的能带偏移，使这两层不影响空穴的隧穿， 可以使空穴快速的隧穿过氧化层，从而改善了原有具有锥形能带存储电荷氮化硅层SONOS 结构器件的擦除速度。通过将存储氮化硅层的能带工程和隧穿层的能带工程结合，使器件具有更快的擦除速度。为了实现上述目的，本发明提供一种具有高擦除速度的锥形能带氮化硅层SONOS 结构器件，在具有源漏极的硅衬底上设有多层结构的栅极，所述栅极从下至上包括氧化硅层、薄氮化硅层、氧化层、渐变氮化硅层、阻挡氧化层和控制栅，所述氧化硅层与硅衬底相接触；所述渐变氮化硅层的硅氮含量从下层到上层逐渐变化，并且氮含量从富氮端向富硅端线型减小，硅含量从富氮端向富硅端线型增加；所述栅极四周设有侧墙，所述源漏极分别设在栅极两侧的硅衬底中。在上述提供的锥形能带氮化硅层SONOS结构器件中，其中所述硅衬底为P型硅衬底。在上述提供的锥形能带氮化硅层SONOS结构器件中，其中所述渐变氮化硅层的富氮端与阻挡氧化层相接触，所述渐变氮化硅层的富硅端与氧化层相接触。本发明的另外一个目的在于提供一种形成上述锥形能带氮化硅层SONOS结构器件的方法，在硅衬底上先后制备氮化硅层、薄氮化硅层、氧化层、渐变氮化硅层、阻挡氧化层和控制栅，后刻蚀除去多余部分，制作侧墙和源漏极。在上述提供的锥形能带氮化硅层SONOS结构器件中，其中制备所述渐变氮化硅层过程中，淀积渐变氮化硅层底部时的SiH2Cl2/NH3的气体体积比为2. 07 :1，淀积渐变氮化硅层顶层的SiH2Cl2/NH3的气体体积比为I :10。本发明提供的锥形能带氮化娃层SONOS结构器件,通过改进SONOS结构中氮化娃层结构，形成具有锥形能带的渐变氮化硅层。薄的01/N1/02的ONO结构的能带结构可以实现在不影响编译速度的情况下，提高擦除速度。由渐变氮化硅层产生的深陷阱能级可以接收来自浅陷阱能级的通过水平跳跃的电荷。这样不仅得到更多的电荷，而且这些电荷被限制在较深的陷阱能级能够增加电荷的保存时间，使器件的可靠性增加。该薄层的ONO结构不仅可以改善具有锥形能带SONOS结构的擦除速度，可能还可以通过擦除速度的增加改善器件编译和擦除态的电压窗口。
图1是现有技术中具有锥形带隙氮化硅层SONOS结构器件的示意图。
图2是现有技术中具有锥形带隙氮化硅层SONOS结构器件的能带示意图。
图3是本发明提供的锥形能带氮化硅层SONOS结构器件的示意图。
图4是本发明提供的锥形能带氮化硅层SONOS结构器件的能带示意图。
图5是本发明提供的锥形能带氮化硅层SONOS结构器件保持电荷态的能带示意图。
图6是本发明提供的锥形能带氮化硅层SONOS结构器件擦除态的能带示意图。
具体实施方式
本发明提供一种锥形能带氮化硅层SONOS结构器件，在具有源漏极的硅衬底上没有多层结构的栅极，所述栅极从下至上包括氧化硅层、薄氮化硅层、氧化层、渐变氮化硅层、阻挡氧化层和控制栅，所述氧化硅层与硅衬底相接触；所述渐变氮化硅层的硅氮含量从下层到上层逐渐变化，并且氮含量从富氮端向富硅端线型减小，硅含量从富氮端向富硅端线型增加；所述栅极四周设有侧墙，所述源漏极分别设在栅极两侧的硅衬底中。以下通过实施例对本发明提供的锥形能带氮化硅层SONOS结构器件做进一步详细的说明，以便更好理解本发明创造的内容，但实施例内容并不限制本发明创造保护范围。制作具有高擦除速度的锥形能带氮化硅层SONOS结构器件过程如下
先在P型硅衬底I上制备一层薄的氧化硅层25 (记为01)，然后在该薄氧化硅层25上制备一层薄的氮化硅层26 (记为NI)，然后在这层薄氮化硅层26 (NI)上制备另一层薄的氧化层27 (记为02)。然后氧化层27上制备硅含量渐变的氮化硅层28 (记为N2)，分别形成富氮的氮化硅层端面和富硅的氮化硅端面，渐变氮化硅层28内存储较厚的电荷。在薄的 ONO层制备中，要保证01和NI的界面以及02和NI界面的界面态尽量少，然后在这层ONO 上形成硅含量渐变的氮化硅层。渐变氮化硅层28可以通过控制含硅和含氮气体的比率或是流速来实现不同硅含量和氮含量氮化硅层。淀积渐变氮化硅层底部时的SiH2Cl2/NH3的比率最大为2. 07 :1，淀积渐变氮化硅层顶层的SiH2Cl2/NH3的比率最小为I :10。之后在渐变氮化层28上再制备较厚的阻挡氧化层29 (记为03)，然后在阻挡氧化层29上制备控制栅24。最后，刻蚀除去多余部分，制作器件的侧墙和源漏极12、13。经过以上过程，制备出本发明所提供的具有锥形能带氮化硅层SONOS结构的器件，其中原来的底部氧化层和存储电荷氮化硅层都利用了能带工程的SONOS结构，具体结构如图3所示。图4是由本发明提供的锥形能带氮化硅层SONOS结构器件的能带示意图。可以看出在编译态，NI层和02层的能带对电子的隧穿没有影响，编译时，由于NI层和02层能带的补偿，在01/N1/02的有效厚度和传统底部氧化层厚度相等或近似的情况下，对编译速度几乎没有影响。没有明显的编译速度改善能力是因为硅和氧化硅之间对于电子的势垒 (3. 15eV)与硅与氮化硅之间对于电子的势垒(2. IeV)相差较少。如果01/N1/02的有效厚度和传统的底部氧化层厚度接近时，对编译速度没有太大的影响。图5是本发明提供的锥形能带氮化硅层SONOS结构器件保持电荷态的能带示意图。从图中可以看出，零场01/N1/02隧穿层的能带示意图。由于高的势垒和大的有效厚度， 使空穴在低场下不能穿过01/N1/02层。图6是本发明提供的锥形能带氮化硅层SONOS结构器件擦除态的能带示意图。在擦除过程的情况，由于NI层和02层的能带偏移，偏移后的能带对空穴的隧穿没有阻挡作用，空穴可以快速地隧穿过01层，从而使得擦除速度增加。这种结构与氧化层相比明显的擦除速度提高是因为硅和氮化硅界面对于空穴的势垒(I. 9eV)小于硅和氧化硅界面对于空穴的势垒(4. 6eV)。在高场下，这个对于空穴的大的势垒差别，能够产生大的能带偏移，使空穴只快速隧穿过01层。以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。
权利要求
1.一种具有高擦除速度的锥形能带氮化硅层SONOS结构器件，其特征在于，在具有源漏极的硅衬底上设有多层结构的栅极，所述栅极从下至上包括氧化硅层、薄氮化硅层、氧化层、渐变氮化硅层、阻挡氧化层和控制栅，所述氧化硅层与硅衬底相接触；所述渐变氮化硅层的硅氮含量从下层到上层逐渐变化，并且氮含量从富氮端向富硅端线型减小，硅含量从富氮端向富硅端线型增加；所述栅极四周设有侧墙，所述源漏极分别设在栅极两侧的硅衬底中。
2.根据权利要求I所述锥形能带氮化硅层SONOS结构器件，所述硅衬底为P型硅衬底。
3.根据权利要求I所述锥形能带氮化硅层SONOS结构器件，所述渐变氮化硅层的富氮端与阻挡氧化层相接触，所述渐变氮化硅层的富硅端与氧化层相接触。
4.一种形成如权利要求I所述锥形能带氮化硅层SONOS结构器件的方法，其特征在于， 在硅衬底上先后制备氮化硅层、薄氮化硅层、氧化层、渐变氮化硅层、阻挡氧化层和控制栅， 后刻蚀除去多余部分，制作侧墙和源漏极。
5.根据权利要求4所述方法，制备所述渐变氮化硅层中，淀积渐变氮化硅层底部时的 SiH2Cl2/NH3的气体体积比为2. 07 :1，淀积渐变氮化硅层顶层的SiH2Cl2/NH3的气体体积比为 I:10。
全文摘要
本发明提供一种具有高擦除速度的锥形能带氮化硅层SONOS结构器件，在具有源漏极的硅衬底上设有多层结构的栅极，所述栅极从下至上包括氧化硅层、薄氮化硅层、氧化层、渐变氮化硅层、阻挡氧化层和控制栅，所述氧化硅层与硅衬底相接触；所述渐变氮化硅层的硅氮含量从下层到上层逐渐变化，并且氮含量从富氮端向富硅端线型减小，硅含量从富氮端向富硅端线型增加；所述栅极四周设有侧墙，所述源漏极分别设在栅极两侧的硅衬底中。
文档编号H01L29/792GK102610654SQ20121006652
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月14日 优先权日2012年3月14日
发明者田志, 石磊, 谢欣云 申请人:上海华力微电子有限公司